光电探测方法研究

为了获取光电检测系统中的更强光信号,提高光电探测效率及信噪比,分析了光电直接探测与相干探测系统原理及特征,针对光电探测系统中探测器接收的光信号微弱问题,提出了光前置放大探测与平衡探测方法及信噪比改善措施.理论分析表明,光前置放大探测与平衡探测具有更低的光强度响应.     

本振功率对目标微动激光平衡外差探测的影响研究

面向远距离目标微多普勒效应的探测,建立了本振光功率变化对激光平衡外差探测回波信噪比影响的数学模型,并进行了仿真分析。通过搭建的1 550 nm激光平衡外差探测实验平台测试了由于本振功率变化对于目标微多普勒特征提取效果的影响。研究结果表明,对于平衡外差探测,由于两光电探测器量子效率不可能完全匹配,考虑到散粒噪声、热噪声和本振相对强度噪声的影响,将存在一个最佳本振功率值使探测信噪比达到最大。当选取该本振功率进行探测时,获得的目标微多普勒特征可读性更强,提取误差更小。     

相干激光雷达平衡外差探测方法的数值仿真

建立了相干激光雷达平衡外差探测的理论模型及其数学描述,包括响应电流模型和信噪比模型.在两个模型的基础上,对平衡外差探测与一般相干探测进行比较,分析出它在消除本振相对强度噪声、提高信噪比和充分利用本振光功率上的优势.最后利用MATLAB数值仿真,着重研究了平衡外差探测方法的信噪比,验证了其在相干激光雷达探测上的优越性,并...     

全光纤相干激光雷达本振光功率优化

研制了全光纤光路相干探测系统,该系统采用带尾纤的PIN光电二极管作为探测器,单模光纤干涉仪作为光学混频器.介绍了中频信号特点,结合光电二极管物理模型,给出了本振光功率对相干探测信噪比的影响和本振光功率的优化方法.实验结果表明:该优化方法可以给出相干探测系统合适的工作点.     

2μm双平衡式外差探测IQ解调与信噪比研究

建立了双平衡式外差探测IQ解调的数学模型,通过旋转λ/4波片来改变IQ信号间的相位差。从本振光强度过剩噪声、散粒噪声和热噪声三个方面对平衡式外差探测系统的信噪比(SNR)进行了仿真。仿真结果表明,当旋转λ/2波片使分束比在(0～0.272)和(0.728～1)范围内时,单源探测信噪比比平衡式探测的信噪比高;而分束比在(0.272～0.728)时平衡式探测的信噪比高于单源探测。搭建了2μm双平衡式外差探测实验系统,当分束比为0.5时,平衡式外差探测的信噪比比单源外差探测的信噪比提高10dB以上,从而证明了双平衡式外差探测系统在微弱信号检测中的可行性和优越性。     

基于光锁相环的载波捕获环路设计

在相干光通信系统中零差探测技术相比外差探测技术具有更高的探测灵敏度,载波恢复技术为零差探测技术的核心。文章对光学锁相环中的科斯塔斯锁相环进行了研究,通过对其进行理论分析,建立了其数学建模,设计了基于压控振荡器的跟踪锁相电路。当信号光采用BPSK调制方式,平衡探测器输出的I、Q两路信号的相位差保持90°时,本文设计的锁相电路可以实现本振光对信号光相位的跟踪锁定。通过实验对本文设计的基于科斯塔斯锁相环的载波恢复系统进行了测试,结果表明该系统可以较好地解调出信号光中携带的基带信号。     

空间相干光通信中本振光功率对信噪比的影响

为研究空间相干光通信的信噪比受本振光功率、探测器特性和光波偏振态的影响,对探测器在不同工作状态下以及光波偏振态变化时的信噪比进行了研究,讨论了在不同工作状态下探测器特性参数和本振光功率对信噪比的影响,并通过实验验证了本振光功率和光波偏振态对信噪比的影响。结果证明空间相干光通信中探测器特性参数限制了本振光功率的取值,实际最大信噪比小于理论值,最佳本振光功率大于理论值,且两光束的偏振方向越接近,输出信噪比越大,最佳本振光功率越小。     

外差探测系统的相位匹配研究

从外差探测系统设计的基本要求出发.分析本振光与信号光的相位匹配技术.表明当目标回波聚焦像斑与本振光聚焦腰斑不重合时,像斑大小直接影响信号幅度,波长越短,相位匹配越困难.系统发射的探测光束发散角较大时,信噪比较差,且光束扫过点目标可能出现条纹状信号过程.分析所得主要结论得到了实验验证.     

1.55μm相干激光雷达系统的硬目标速度探测

为了实现激光雷达系统对硬目标的探测,设计了相干探测系统,引入平衡探测器优化本振的大小,并对漫反射硬目标速度进行了探测。结果表明,采用平衡探测器,优化本振的大小,可以有效地提高系统的信噪比,对漫反射硬目标的速率探测平均误差为0.49m/s,测量速率的方差为0.91m/s,实现了系统对漫反射硬目标速度的相干探测。这一结果对于相干测风激光雷达的研制是有帮助的。     

高斯光束场分布对相干探测混频效率的影响

在相干探测系统中,信号光与本振光在探测器上进行混频产生中频信号,实现将携带目标信息的信号光转置与放大,实现了近量子噪声限的探测方式。为了有效利用回波信号获得良好的探测性能,有必要对两束光的混频特性进行研究。信号光与本振光在探测器光敏面上的分布决定了两束光的混频效率,只有信号光与本振光的场分布完全一致探测器输出的中频光电流最大。通过对高斯光束的混频进行理论推导并进行数值模拟,结果表明混频效率对光敏面上信号光的分布较为敏感,本振光束腰半径应该等于或略大于信号光束腰的半径,探测器光敏面半径应约为本振光束腰半径的2倍。     

危险空间碎片的天基激光雷达探测

小尺度危险空间碎片(厘米量级)是空间碎片监测的难点之一。针对厘米级空间碎片的探测需求,提出了一种基于天基激光雷达的主动探测新方案。该方案对激光强度进行宽带射频调制,并采用光学相干零差检测方式,通过chirp强度调制信号来获取空间碎片的距离和速度信息,在提高接收信噪比的同时简化了系统结构。首先简要介绍了该激光雷达的系统组成和工作原理,分析研究了系统在不同条件下的探测性能,并与传统直接检测激光雷达的探测性能进行了对比。理论分析和仿真结果表明,该探测方案是可行和有效的,对空间碎片的有效探测距离可达50 km以上。     

阈值法对激光远场焦斑质量测量和计算的影响

建立了非稳腔激光束通过大气湍流随机相屏传输至远场焦平面上的光斑强度分布模型,并考虑CCD像素单元对激光能量的离散化积分采样及探测噪声的影响,以峰值斯特雷尔比Rs、环围能量斯特雷尔比Ree和光束质量因子β作为评价远场光斑质量的指标,利用蒙特卡罗法研究了在不同信噪比(SNR)和光斑分布形态情况下,采取四种不同阈值去噪方法对远场光斑质量评价参数计算精度的影响。结果表明,足够的测量信噪比是保证光束质量测量精度的前提,在测量信噪比和光斑分布形态给定的情况下,采取阈值为CCD背景噪声均值,同时保留随机噪声起伏的去噪方法是较为合理的选择。     

合成孔径激光雷达外差探测的影响研究

现阶段合成孔径雷达(SAR)都采用外差探测,因其外差相干探测的优越性,成为研究和应用的热点。然而,在实际探测中,雷达接收系统接收到的回波激光信号与本地振荡光信号进行相干外差时,匹配具有一定难度。文中分析了信号光宇本振光的夹角对外差信号的影响。     

Analysis of direct-detection DPSK signal with homodyne crosstalk

When a differential-phase-shift-keying (DPSK) signal is directly detected using an asymmetric interferometer and balanced receiver, the exact error probability of the signal with homodyne crosstalk is derived analytically. Homodyne crosstalk from many interferers is Gaussian distributed, but the Gaussian model overestimates the signal-to-noise ratio (SNR) penalty for homodyne crosstalk from a single interferer. For the DPSK signal, the crosstalk ratio for a 1-dB SNR penalty must be less than -16.5 dB. For the same crosstalk ratio, the SNR penalty for a DPSK signal is far smaller than that for an ON-OFF keying (OOK) signal.     

基于激光多普勒测速雷达自相关检测算法研究

为提高车载激光多普勒测速低信噪比时的测速精度,同时保持较好的实时性,基于自相关检测算法在车载激光多普勒测速中的应用进行了理论与实验研究.从速度估计的克拉美罗下限(CRLB)出发,将自相关后信噪比与采样点数的关系和频域内信噪比估计相结合;不同原始信号的信噪比,可以选取最优重数和采样点数以便对信号进行自相关处理,从而减小计算量,实现系统信噪比和探测概率的提高.仿真和实验结果表明,在信噪比不低于-10 dB时,二重自相关可以使系统速度估计精度接近CRLB.     

衍射光学系统红外光谱目标探测性能

衍射光学系统具有大口径轻量化的优点,但其光谱范围较窄,能利用的红外信号能量较小,通常认为采用后会使红外相机的探测信噪比降低。基于衍射光学系统,分析了对地观测红外相机的目标探测性能,结合一个非制冷红外相机信噪比计算示例,明确了在地物背景和目标光谱特性不同的条件下,基于衍射光学系统的红外相机仍可能具有良好的目标探测性能。同时将红外相机等效噪声功率与激光和电子学系统进行对比,提出了红外探测系统的性能还可能进一步提高的观点,给出了一种引入激光本振结合电子学滤波细分红外光谱降低等效噪声功率的方法。     

基于AlGaN/GaN HEMT太赫兹探测器的340 GHz无线通信接收前端

利用天线耦合AlGaN/GaN HEMT太赫兹探测器的自混频和外差混频效应,分别设计并测试了340 GHz频段直接检波式和外差混频式接收机前端。通过接收机信噪比的测量和接收功率的定标,得到了两种接收机的等效噪声功率。直接检波模式下探测器的响应度约为20 mA/W,直接检波模式和外差混频模式下接收机的等效噪声功率分别约为?64.6 dBm/Hz1/2和?114.79 dBm/Hz。在相同的载波功率和接收信号带宽条件下,当本振太赫兹波功率大于?7 dBm时,外差混频接收的信噪比优于直接检波的信噪比。当本振功率大于0 dBm时,外差混频接收机表现出优良的解调特性,其信噪比高出直接检波接收机的信噪比10 dB以上。     

面向空间引力波探测的低噪声平衡零拍探测系统研究（特邀）

空间引力波探测频段位于0.1 mHz~1 Hz范围内,在该频段内包含了更大特征质量和尺度的引力波波源信息。目前,基于不同尺寸及空间轨道的大型激光干涉空间引力波探测计划已经逐步实施,其中在干涉仪的激光光源系统中,需要抑制激光强度噪声及频率噪声等,光电探测作为激光噪声表征及抑制的第一级器件,其性能将直接影响激光噪声抑制效果。通过选定低噪声芯片、高稳定偏压系统的基础上,采用自减电路及跨阻放大电路进行整体电路设计;在电磁屏蔽、低温漂系数元件、低噪声供电以及主动温控等技术手段实现了高增益低噪声平衡零拍探测系统的研制;结合快速傅里叶变换法以及对数轴功率谱密度算法对其增益、带宽等性能进行评估测试,并进一步对激光的强度噪声在0.05 mHz~1 Hz频段进行探测表征。实验结果表明:所研发平衡零拍探测电子学噪声谱密度在1 mHz~1 Hz的频率范围内在3.6×10?5 V/Hz1/2以下,小于空间引力波探测对激光光源噪声要求;进一步当入射光功率为400 μW时,测量得到平衡零拍探测系统在0.1 mHz~1 Hz的频率范围内增益在20 dB以上;激光强度噪声谱密度在1 mHz处为3.6×10?2 V/Hz1/2,实现低噪声光电探测及激光强度噪声表征,为空间引力波探测中激光强度噪声表征及抑制等方面提供关键器件支撑。     

基于背照式CCD的微弱目标成像系统设计

为了对微弱目标进行探测,提出一种采用背照式CCD47-10为传感器的成像系统设计方案。通过对CCD47-10的工作原理和性能参数进行分析,完成电源模块、驱动模块、信号处理模块、数据传输模块的硬件设计。使用VHDL语言完成FPGA中的逻辑电路设计,使用VC++完成上位机软件设计。最后通过搭建实验系统,在微弱光下对光栅进行成像,并分析图像信噪比。实验结果表明,设计的系统在对微弱目标成像时信噪比为72,能够满足对微弱目标探测的应用要求。